با توسعه فناوری نانو در صنعت، محققان در عرصه الکترونیک بهمنظور استفاده از خواص منحصربهفرد مقیاس نانو، به سمت استفاده از این فناوری در سیستمهای الکترونیکی مانند رایانه، تلفنهای همراه، تلویزیون و سایر دستگاههای الکترونیکی سوق پیدا کردند] ۱-۶[. با بهکارگیری فناوری نانو در حوزه الکترونیک، خواصی از قبیل وزن، استحکام، هدایت گرمایی و الکتریکی بهبود داده شد ]۷،۸[.
امروزه گوشیهای هوشمند از لحاظ فناوری در وضعیت پیشرفتهای قرار دارند، قطر گوشیها روزبهروز نازکتر و سرعت عملکرد آنها افزایش پیدا کرده است همچنین فناوری وضوح تصویر صفحهنمایش و دوربین آنها متحول شده است. با اختراع صفحههای OLED، نسل جدید صفحهنمایشها مانند صفحهنمایشهای منعطف که در مقابل شکستن پایداری بالایی دارند، رونمایی شده است ]۹[.
در ادامه به نحوهٔ استفاده از فناوری نانو در گوشیهای هوشمند در سراسر دنیا پرداخته خواهد شد.
کاربرد فناوری نانو در گوشیهای هوشمند
رشد فناوری نانو، باعث ایجاد تغییرات شگرفی در صنایعی مانند تلفن همراه شده است و میتواند آینده تلفنهای همراه را به سمت تغییر و تحولاتی مانند کوچکتر و ظریفتر شدن و در عین حال سرعت بیشتر پیش ببرد. همچنین نانو فناوری میتواند در مواردی مانند باتری، وضوح تصویر و کیفیت دوربین نیز تأثیرگذار باشد. این تحولات با استفاده از نانوموادی مانند نانولولههای کربنی، گرافن، نقاط کوانتومی، اکسید نانوذرات و نانوکامپوزیتها انجام میپذیرد و میتواند منجر به ایجاد راهکارهایی برای سیستمهای الکترونیکی، منابع انرژی و مشکلات زیستمحیطی شود.
بهطور خلاصه عوامل تأثیرگذار در بهبود عملکرد گوشیهای هوشمند با استفاده از فناوری نانو عبارتند از:
- کیفیت رنگ؛
- عمر باتری گوشیهای همراه؛
- احیای خودبهخودی مدار؛
- انعطافپذیری صفحهنمایش؛
- کاهش ابعاد تراشه و افزایش حافظه؛
- و زیستسازگاری اجزای گوشی همراه.
- کاربرد فناوری نانو در رنگ گوشیهای هوشمند
یکی از عوامل زیبایی گوشیهای همراه، رنگ بدنه گوشی است. بدین منظور با استفاده از نانوذرات و ترکیب آنها در مواد پلیمری و آلی و ترکیبات غیرآلی میتوان علاوه بر زیبایی ظاهری و مقاومت در برابر خش به خواص دیگری مانند کاهش وزن و سازگاری با محیطزیست دست یافت. با افزودن مواد نانوساختار خصوصاً نانوذرات اکسید فلزی همچنین میتوان خطرات ناشی از مشکلات زیستمحیطی را تا حد زیادی کنترل کرد و با آنتیباکتریال کردن بدنه گوشی همراه از رشد باکتریها و بیماریهای احتمالی در صورت تماس با دست انسان بهخصوص کودکان جلوگیری کرد [۱۰-۱۳].
- کاربرد فناوری نانو در احیای خودبهخودی مدارها
بهطورکلی مواد خودترمیم شونده شاخه جدیدی از تحقیقات را به خود اختصاص دادهاند. این مواد توانایی تشخیص خودکار عیب و ترمیم آن را دارند. مواد نانوساختار در این زمینه کاربرد بسیاری پیدا کردهاند که از جمله آنها میتوان به نانولولههای کربنی اشاره کرد.
با زمین خوردن گوشی تلفن همراه، معمولاً به قطعات و مدارهای سختافزاری گوشی صدمه وارد میشود. برای رفع شکاف و گسیختگی ایجاد شده در ساختار مدار، امروزه محققان استفاده از نانولولههای کربنی را پیشنهاد میدهند. این نانومواد علاوه بر رسانایی الکتریکی و حرارتی بالا، باعث ایجاد خاصیت خودترمیم شوندگی در ساختار نیز میشوند. ]۱۴[.
- کاربرد فناوری نانو در باتری گوشیهای هوشمند
یکی از انواع باتریهای معمول مورداستفاده در صنعت الکترونیک امروزی، باتریهای لیتیوم یون است که در محصولات مختلف مانند لپتاپ، گوشیهای هوشمند و اتومبیلهای الکتریکی بهعنوان استاندارد شناخته شده است. با این حال، نگرانیهای امنیتی در مورد باتریهای لیتیوم یون وجود دارد. از جمله راهکارهای بهبود باتریهای لیتیوم-یون، کوچک کردن باتریها است؛ زیرا میتوان اینطور تصور کرد که با کوتاهتر کردن مسیر یونهای لیتیوم در عبور از الکترولیت نرخ بازدهی بیشتر شود درحالیکه واکنشهای شیمیایی در طول مسیر کوتاه افزایش یافته و عمر باتری کوتاه میشود. برای جبران این مشکل محققان و صنعتگران در بیشتر باتریهای لیتیوم-یون از گرافیت در الکترود منفی استفاده میکنند که چگالی انرژی بالایی دارد. زمانی که باتری با نرخ بالایی شارژ شود، رشتههای لیتیومی بهصورت رشتههای عصبی دندریت درآمده و جریانهای کوچکی تشکیل میشود که منجر به انفجار باتری و آتش گرفتن آن میشود. برای جبران و برقراری ایمنی در این مشکل باید در الکترود منفی، گرافن با ساختار نانویی جایگزین گرافیت شود ]۱۵[.
همواره چالشهایی مانند عمر نسبتاً کم و تخلیه شارژ سریع در مورد باتری گوشیهای هوشمند وجود داشته است. علاوه بر این، کمترین توان مصرفی تلفنهای همراه در حالتی که با آن کار نمیشود[1] به اندازه ۱۸ تا ۲۰ میلیوات است، در صورتی که اگر قابلیتهای مختلف گوشی مانند صفحهنمایش روشن، رادیو و یا سایر برنامههای کاربردی مورداستفاده قرار گیرد، توان مصرفی حدود ۲۰۰۰ میلیوات افزایش مییابد.
معمولاً جهت سنجش میزان قدرت ذخیرهسازی باتری، چگالی نیرو را میسنجند بدین ترتیب که هر قدر که باتری در وزن و سطح کمتر، انرژی بیشتری ذخیره کند، عملکرد باتری بهتری دارد. میزان شارژی که یک باتری میتواند در مدتی مشخص در گوشی ذخیره کند به سطح الکترود و جنس الکترودهای باتری بستگی نمونههای ساخته شده گوشی همراه با استفاده از نانو مواد در الکترودها نشاندهنده افزایش چگالی نیرو و عمر باتری است.
در حال حاضر، دانشمندان به دنبال افزایش قابلیتهای باتریهای لیتیوم-یون (با ترکیب گرافن بهعنوان یک آند) برای ارائه ظرفیت ذخیرهسازی بسیار بالاتر با طول عمر و نرخ شارژ بسیار بیشتر هستند. در بین نانوساختارها گرافن به دلیل داشتن خواص منحصربهفرد موردمطالعه و توسعه قرار گرفته است که میتواند در ساختار آند باتری به کار رود و مقدار زیادی انرژی را ذخیره کنند. این نوع باتریها معمولاً برای استفاده در برنامههای کاربردی کم انرژی مانند تلفنهای هوشمند و لپتاپ با وزن پایین توسعه یافتهاند و احتمالاً در عرض ۱۰ سال آینده بهصورت تجاری در دسترس خواهند بود. علاوه برگرافن محققان و صنعتگران با استفاده از نانولولههای کربنی در باتریهای تلفن هوشمند موفق به افزایش ذخیرهسازی شارژ گوشیهای هوشمند و افزایش عمر باتریها تا ۱۰۰ برابر شدند.
نسل جدید گوشیهای هوشمند به سمت انعطافپذیری، الکترودهای شفاف و صفحههای خود تمیز شونده میروند. از دیگر فعالیتهای این نوع گوشیهای هوشمند نسل جدید استفاده از انرژی خورشیدی برای شارژ و استفاده از حسگرها متناسب با محیطزیست است [۱۶].
- کاربرد فناوری نانو در ساخت نمایشگرها
صفحهنمایش گوشیهای هوشمند یا بهطور دقیقتر دیودهای نوری و یا دیود گسیل نور ارگانیک[2] (OLED) به جای استفاده از مواد سخت و انعطافناپذیر، در زیر پوشش انعطافپذیر مانند پلاستیک قرار گرفتهاند. صفحهنمایشهای نسل جدید خم میشوند ولی نمیشکنند. نخستین بار گوشی تلفن همراه تاشو به نام Reflex با ایده گرفتن از فناوری صفحات انعطافپذیر الجی تولید شدند. این نمونه طراحی شده با صفحهنمایش ۶ اینچی توسط شرکت الجی ساخته شده است و در ساخت آن از فناوری FOLED[3] استفاده شده است. نکته قابلتوجه در رابطه با این نوع گوشی این است که این نوع گوشیها تا ۳-۴ سال آینده نمیتوانند بهطور صنعتی تولید شده و کاربردی تجاری داشته باشند ]۱۷[.
اخیراً محققان دانشگاه ساسکس با استفاده از ترکیب نانوسیمهای نقره که ماده اصلی صفحهنمایشها هستند، در ترکیب با گرافن، صفحهنمایشهایی مقاومتر و باکیفیتتر و در عین حال مقرونبهصرفهتر ساختهاند. ویژگی بارز این نوع گوشیها انعطافپذیری و مقاومت آنها در مقابل ضربه و افتادن بر روی زمین است. ویژگی دیگر این صفحات، کاهش مصرف انرژی آنها است. صفحات امروزی به علت داشتن یک لایه اکسید قلع و ایندیوم بسیار سریع میشکنند و گرانقیمت نیز هستند.
علاوه بر این، در کشورهای کره و ژاپن فیلمهای گرافنی را بهعنوان الکترودهای شفاف در ابعاد دهها سانتیمتر طراحی کردهاند و آنها را در داخل افزارههای صفحهنمایش لمسی استفاده کردهاند. این نوع حسگرهای لمسی و قابلانعطاف علاوه بر اینکه صفحهنمایش را نشکن و ضدضربه میکند قابلیتهای فوقالعاده دیگری به گوشی میدهد ]۱۷[.
بازار خارجی:
- شرکت[4]toshiba:
- محصول باتری قابل شارژ (SCiB™):
باتری قابل شارژ توشیبا یک باتری با کارای بالا، عمر طولانی و قابل شارژ که بهمنظور ذخیرهسازی انرژی در وسایل الکترونیکی مانند گوشیهای همراه و لپتاپ به کار میرود. باتریهای SciB را میتوان به اندازه ۱۰ دقیقه شارژ کرد، این باتریها دارای عملکرد حرارتی بالا هستند. در این باتریها از نانوبلورهای لیتیوم تیتانات استفاده شده است. از دیگر ویژگیهای این نوع باتری، عملکرد خروجی بالا معادل با خازنهای فوقانی، عملکرد فوقالعاده حتی در دمای کمتر از منفی ۳۰ درجه سانتیگراد و کاهش تأثیرات منفی زیستمحیطی زباله باتریهای قدیمی است. شرکت توشیبا باتریهای SciB خود را در خط تولیدی اتوماتیک و با حجم و کیفیت بالا تولید میکند ]۱۸،۱۹[.
- شرکت saintjeancarbon[5]
- محصول باتری لیتیومی مبتنی بر گرافن
شرکت saintjeancarbon که در حوزه ذخیرهسازی سبز انرژی به دنبال استفاده از مواد کربنی برای ساخت باتری است. این شرکت با استفاده از باتریهای گرافنی نسبت به گرافیتی توانست در مدتزمان ۴-۵ دقیقه باتری را شارژ کند و تا ۲۵ دقیقه انرژی موردنیاز آن را تأمین کند. در واقع این شرکت درصد رسیدن به دو برابر کردن عملکرد آندهای گرافیتی است و میتواند در مدت ۱ دقیقه،۸۰ درصد از ظرفیت انرژی باتری را شارژ کند و به دنبال تجاریسازی این نوع باتریها است ]۲۰،۲۱[.
شکل (۱) تصویر باتریهای لیتیومی مبتنی بر گرافن تولید شده در شرکت saintjeancarbon
- محصول باتریهای لیتیومی مبتنی بر گرافن در ژل آب نمک
این شرکت علاوه بر باتریهای گرافنی به دنبال نسل جدیدی از باتریهای لیتیومی است که در آن، گرافن در ژل آب نمک غلیظ میشود و به بهبود عملکرد باتری کمک میکند. یکی از مزایای باتریهای آب نمکی این است که آتش نمیگیرد، این شرکت میتواند این نوع باتری را بهصورت باتری با ظرفیت بالا و مناسب لوازم الکترونیکی تولید کند و قصد دارد در اواسط سال ۲۰۲۰ این نوع باتری را بهصورت تجاری تولید کند ]۲۰-۲۲[.
- شرکت سامسونگ
- شرکت سامسونگ از جمله شرکت هایی است که در زمینه استفاده از فناوری نانو در تولید محصولات خود، فعال است. یکی از حوزه های مورد استفاده این شرکت، بهبود عمر باتری گوشیهای هوشمند با استفاده از مولکولهای پپتیدی است. این نوع از باتریها، در گوشیهای گلکسی اس 3 سامسونگ به کار برده شده است و از مزایای آن شارژ کامل گوشی در کمتر از یک دقیقه است ]23[.
یکی دیگر از دستاوردهای شرکت سامسونگ، ساخت صفحهنمایشهای تاشو است، این شرکت نوید این را داده است که در آیندهای نزدیک این فناوری، با افزایش قیمتی جزئی روانه بازار شود ]۲۴[.
شکل ۲- گوشی منعطف شرکت سامسونگ
- شرکت هواوی:
یکی از رقیبهای مهم شرکت سامسونگ در تولید گوشیهای نسل جدید، شرکت هواوی است. شرکت هواوی توانسته است گوشیهایی نازکتر، صفحهنمایش بزرگتر با وضوح تصویری بیشتری را ارائه دهد. هواوی این محصول منحصربهفرد خود را با نام Huawei Mate X معرفی کرده است. گوشی Mate X دارای صفحهنمایش OLED ۸ اینچی با ضخامتی کمتر از ۱۱ میلیمتر و مشخصات سختافزاری آن نیز موردتوجه زیادی قرار گرفته است و دارای یک باتری ۴۵۰۰ میلیآمپری و 5G است. علاوهبراین میتوان گفت صفحهنمایش OLED تبلت به تنهایی سه کار انجام میدهد. بدین ترتیب، هنگامی که دستگاه بسته است، همانند یک گوشی هوشمند عمل میکند و گوشی هوشمند با صفحهنمایش دوم در عقب آن این اجازه را میدهد تا خودتان را با دوربین اصلی بچرخانید یا تصویر خودتان و شخص دیگری که در عقب گوشی قرار دارد را همزمان به اشتراک بگذارید، از آنجایی که ساخت گوشی با لولای تاشوی بیرونی کمی سختتر است، هواوی گوشی منعطف خود را با لولای تاشوی داخلی طراحی کرده است ]۲۵[.
شکل ۳- تبلت Mate X نسل جدید تبلت شرکت هواوی
شرکت اپل
شرکت اپل نیز از این رقابت که در بین گوشیهای همراه ایجاد شده است، مستثنی نیست و در پی عرضه گوشهای هوشمند منعطف خود است ]۲۶[. علاوه بر این، شرکت اپل همانند سامسونگ در پی افزایش عملکرد و عمر باتری گوشیهای خود است. بدین منظور از ماده شگفتانگیز گرافن استفاده کرد، بهکارگیری گرافن مزیتهای فراوانی دارد از جمله مزیتهایی که میتوان گفت عبارتاند از:
هدایت الکتریکی گرافن ۱۰ برابر مؤثرتر از مس است که باعث کاهش گرما میشود در واقع گرافن با از بین بردن گرمای بیش از حد درون گوشی به سرعت هدایت الکتریکی کمک میکند در نتیجه عمر باتری را تا ۲۰ درصد افزایش میدهد و این دقیقاً چیزی است که گوشیهای آیفون همراه با نانو به نام nanocase انجام میدهند. علاوه بر این گرافن مورداستفاده در باتری از وزن بسیار پایینی برخوردار است و این موضوع منجر به باریک شدن و سبکی گوشی میشود. این نوع باتریهای نانویی در گوشیهای آیفون X، آیفون ۷، آیفون پلاس ۷، آیفون ۸ و آیفون پلاس ۸ به کار رفته است]۲۷[.
شکل (۴) گوشی آیفون همراه با باتری گرافنی]۲۷[
شرکت الجی:
شرکت الجی طی سالهای اخیر پتنتهایی را در خصوص صفحهنمایشهای OLED تاشو ارائه کرده است، این صفحهنمایشهای تاشو و قابلانعطاف توسط یک چفت آهنربایی در حالت تاشده به پشت نگه داشته میشوند. الجی علیرغم موفقیت در تولید صفحههای تلویزیون منعطف ولی هنوز گوشی با صفحهنمایش تاشو بهصورت تجاری ارائه نداده است ]۲۸[.
شرکت موتورولا
از دیگر شرکتهایی که موفق به طراحی صفحهنمایش تاشو شده، شرکت موتورولا است، این شرکت گوشی جدید RAZR با یک صفحهنمایش تاشو را بهتازگی رونمایی کرده است ولی هنوز بهصورت رسمی این دستگاه را معرفی نکرده است ]۲۸[.
شکل ۵- طرح گوشی RAZR شرکت موتورولا ]۲۸[
خلاصه
میتوان انتظار داشت که با بهکارگیری فناوری نانو و نانوساختارهایی مانند نقاط کوانتومی، نانولولهها و گرافن در فرایند تولید گوشیهای هوشمند، از نسل جدید گوشیهای هوشمند منعطف و با عملکرد و عمر باتری بالاتری رونمایی شود. نانواکسیدهای تمیزشونده میتوانند در بدنه گوشیهای همراه به کار روند و از بروز آلودگی در تماس با دست انسان تا حدی جلوگیری کنند؛ علاوه بر این با بهکارگیری فناوری نانو میتوان از اثرات زیستمحیطی و مصرف انرژی بالا رهایی یافت. اگرچه استفاده از فناوری نوین موانعی مانند افزایش قیمت، دشواری فرایند ساخت در صنعت را به همراه دارد اما امروزه شرکتهای بزرگ تولیدکننده گوشی تلفن همراه به دنبال راهی برای از بین بردن موانع و ساخت گوشیهایی با ضخامت کمتر، کیفیت تصویر بالاتر و کارایی راحتتر هستند.
مراجع
[1] R. Bawa, S.R. Bawa, S.B. Maebius, T. Flynn. and C. Wei. Nanomed: Nanotech. Bio.
Med. 1, 2, 150–158, (2005).
[2] J. Timmermans, Y, Zhao and J.V. Hoven. Nanoethics. 5, 3, 269–283, (2011).
[3] K.T. Pankaj, Shruti, S. Vikas, and A. Anami. Int. J. Pharm. Innov. 2, 4 48-60, (2012).
[4] M. Szabo, P. Pusztai, A.R. Leino, K. Kordas, Z. Konya, A. Kukovec. J. Mol. Struct. 1044 99-103, (2013).
[5] U. Zobair. Glob. J. Res. Eng. 12, 4, 34-38, (2012).
[6] http://www.azonano.com TheNanoAge.com. Retrieved on 15/3/2015 at 12.28p.m.
[7] M. Saeid, A.F. Mariela and M.R. lslam. E & P. JPT, 48-51, (2006).
[8] E. Abdollah. PETROTECH, 11-15 January, (2009).
[9] http://www.nanotech-now.com/columns/?article=1071
[10] https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0169433214011921
[11] https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S001393512030462X
[13] https://patents.google.com/patent/CN103640293A/en?oq=nano+coating+mobile
[14] Wool, Richard P. “Self-healing materials: a review.” Soft Matter 4.3 (2008): 400-418.
[15] Fu, Zhiguo, Hongjun Si, and Guopeng Gao. “Nano-lithium-ion batteries and methos for manufacturing nano-lithium-ion batteries.” U.S. Patent Application No. 11/425,304.
[16] Yoo, EunJoo, et al. “Large reversible Li storage of graphene nanosheet families for use in rechargeable lithium ion batteries.” Nano letters 8.8 (2008): 2277-2282.
[17] http://itresan.com/106523/
[18] https://www.toshiba.com/tic/power-electronics/scib-rechargeable-battery
[19] www.toshiba.com/tic/power-electronics/scib-rechargeable-battery
[20] www.saintjeancarbon.com
[21] www.saintjeancarbon.com/index.php/graphene/lithium-ion-battery/
[22] http://www.saintjeancarbon.com/files/6715/4826/5031/2018-11-12_salt_water_FNL.pdf
[23] https://www.store-dot.com/business-units
[24] https://www.techradar.com/reviews/samsung-galaxy-fold-hands-on
[26] www.investorvillage.com
[27] https://www.digitaltrends.com/mobile/nanocase-graphene-iphone-case-news/
[1] Standby
[2] Organic Light Emitting Diode
[3] Flexible Organic Light Emitting Diode
[4] www.toshiba.com
[5] www.saintjeancarbon.com
———————————————————————
تهیه و تنظیم:
- گروه صنعتی کاربردهای فناوری نانو در صنعت برق و انرژی
بخش ترویج صنعتی ستاد توسعه فناوری های نانو و میکرو
====================================================================================
[جهت دسترسی به گزارش نهایی محصولات و شرکتهای دارای گواهی نانومقیاس ستاد توسعه فناوریهای نانو و میکرو به «کتب مرجع محصولات و تجهیزات نانو و صنعت» به نشانی (INDnano.ir/category/book) مراجعه کنید]
[همچنین برای دانلود فایل PDF کلیه گزارشات بهمراه جزئیات، به بخش گزارش های صنعتی پایگاه اینترنتی رسانه تخصصی نانو و صنعت (www.INDnano.ir/category/report) مراجعه نمایید]
====================================================================================
